(57)【要約】【課題】固体状メタノールを用いる直接メタノール形燃料電池において、固体状メタノールからメタノールを効率良く取り出すことのできる直接メタノール形燃料電池用固体状メタノール燃料カートリッジを提供する。【解決手段】燃料カートリッジ１０は、容器本体たる矩形箱型のケーシング１０Ａ内にメタノール包接化合物等の固体状メタノールＳを収納してなり、ケーシング１０Ａの一方の側に前述した水供給口６及び燃料取出口７に対応して、水Ｗの導入口１１及び燃料Ｆの排出口１２がそれぞれ形成されている。そして、燃料カートリッジ収容部５に燃料カートリッジ１０を装着たらポンプ９を起動してリザーバタンク８の水Ｗを水供給口６及び導入口１１から燃料カートリッジ１０に供給する。これにより固体状メタノールと水Ｗとが接触して、燃料Ｆとしてのメタノール水溶液が生成する。このメタノール水溶液を、燃料供給路１４を経由して燃料電池セル１の燃料極２に供給することで、燃料電池セル１で発電が開始される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタノールを固体化した固体状メタノールを収容した容器本体と、
前記固体状メタノールからメタノールを溶出させるための水の導入口と、
前記溶出したメタノールを含むメタノール水溶液を外部に取り出す排出口と
を有することを特徴とする直接メタノール形燃料電池用固体状メタノール燃料カートリッジ。
【請求項２】
前記導入口と前記排出口との間に、水の流路が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の直接メタノール形燃料電池用固体状メタノール燃料カートリッジ。
【請求項３】
前記水の流路に導入された水の流れを乱す構造体をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の直接メタノール形燃料電池用固体状メタノール燃料カートリッジ。
【請求項４】
前記容器本体内に気体収容部を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の直接メタノール形燃料電池用固体状メタノール燃料カートリッジ。
【請求項５】
前記導入口又は排出口には漏液防止部材が装着されており、
給水時又は排液時に、前記導入口又は排出口にニードル状管体が挿脱されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の直接メタノール形燃料電池用固体状メタノール燃料カートリッジ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体状メタノールを燃料とする直接メタノール形燃料電池の固体状メタノールの燃料カートリッジに関し、特に直接メタノール形燃料電池を効率的に使用でき、かつ安全性が向上した固体状メタノールの燃料カートリッジに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質型燃料電池は、パーフルオロスルホン酸膜等の固体電解質膜を電解質とし、この膜の両面に燃料極及び酸化剤極を接合して構成され、アノードに水素やメタノール、カソードに酸素を供給して電気化学反応により発電する装置である。このうち、メタノールを燃料とする固体高分子電解質型燃料電池は、「直接（ダイレクト）メタノール形燃料電池」と呼ばれ、下記の反応式により発電が行われる。
【０００３】
アノード：ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→６Ｈ＋＋ＣＯ２＋６ｅ−…［１］
カソード：３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏ…［２］
【０００４】
この反応を起こすために、両電極は触媒物質が担持された炭素微粒子と固体高分子電解質との混合体より構成されている。
【０００５】
このような直接メタノール形燃料電池において、アノードに供給されたメタノールは、電極中の細孔を通過して触媒に達し、この触媒によりメタノールが分解されて、上記反応式［１］の反応で電子と水素イオンを生成する。水素イオンは、アノード中の電解質及び両電極間の固体電解質膜を通ってカソードに達し、カソードに供給された酸素及び外部回路より流れ込む電子と反応して、上記反応式［２］のように水を生じる。一方、メタノールより放出された電子は、アノード中の触媒担体を通って外部回路へ導き出され、外部回路よりカソードに流れ込む。この結果、外部回路ではアノードからカソードへ向かって電子が流れ、電力が取り出される。
【０００６】
このメタノールを燃料とする直接メタノール形燃料電池は、作動温度が低く、大掛りな補器を必要としないこと等から、携帯機器用小型燃料電池として有用であり、近年、携帯用コンピューターや携帯電話等の次世代電池として開発が活発化してきている。その一方で、燃料に使用するメタノールは液体であるが故に漏れやすく、またメタノール自体の可燃性及び毒性が懸念されており、安全に使用するための対策が課題となっている。
【０００７】
このようなメタノールの安全性の課題に対し、分子状化合物を形成することによりメタノールを固形化し、漏れにくくするとともに可燃性を大きく低減した「固体状メタノール燃料」について本出願人は種々提案した（特許文献１〜３参照）。この固体状メタノールは、水と接触することで固体中のメタノールを水側に放出する。このようにして生成したメタノール水溶液を直接メタノール形燃料電池の燃料として使用することができるものである。
【特許文献１】特開２００６−０４０６２９号公報
【特許文献２】特開２００５−３２５２５４号公報
【特許文献３】国際公開第２００５／０６２４１０号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このような固体状メタノールから燃料となるメタノールを取り出すには、固体状メタノールに水を供給する必要がある。水を供給する方法としては、ポンプ等の液体供給手段を使用して水をカートリッジに供給するアクティブ方式と、水の自然な拡散現象を利用するパッシブタイプとがあるが、能動的に液体の供給を行えるアクティブ方式の方が高出力を発生させるためには適している。
【０００９】
しかしながら、固体状メタノールにポンプを使用して水を供給し、メタノール水溶液を取り出すことの可能な固体状メタノール燃料カートリッジの具体的な構造については、いまだ提案されていない。
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、固体状メタノールを用いる直接メタノール形燃料電池において、固体状メタノールからメタノールを効率良く取り出すことの可能な直接メタノール形燃料電池用固体状メタノール燃料カートリッジを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、メタノールを固体化した固体状メタノールを収容した容器本体と、前記固体状メタノールからメタノールを溶出させるための水の導入口と、前記溶出したメタノールを含むメタノール水溶液を外部に取り出す排出口とを有することを特徴とする直接メタノール形燃料電池用固体状メタノール燃料カートリッジを提供する（請求項１）。
【００１２】
上記発明（請求項１）によれば、水タンクからポンプを介して水の導入口から容器本体内に水を供給すると、容器本体内に収容された固体状メタノールに水が接触することで、メタノールが溶出してメタノール水溶液が生成する。そして、このメタノール水溶液を排出口から取り出して、燃料電池セルの燃料極に供給することで発電が可能となる。
【００１３】
上記発明（請求項１）においては、前記導入口と前記排出口との間に、水の流路が形成されていることが好ましい（請求項２）。通常、容器本体に供給された水は、水の導入口から排出口に向けて短絡的な経路をとる傾向を示すため、容器本体内に収容された固体状メタノールとの接触効率が低くなり、固体状メタノールの利用率を高めることが困難であるが、かかる発明（請求項２）によれば、流路に沿って容器本体に供給された水が流通することにより、固体状メタノールとの接触効率を十分に高めることができる。
【００１４】
上記発明（請求項２）においては、前記水の流路に導入された水の流れを乱す構造体をさらに備えることが好ましい（請求項３）。かかる発明（請求項３）によれば、水の流動が促進され、水と接触した固体状メタノールからのメタノールの溶出速度を高めることができる。
【００１５】
上記発明（請求項１〜３）においては、前記容器本体内に気体収容部を備えることが好ましい（請求項４）。固体状メタノールの隙間に十分な量の水が充填されると、燃料カートリッジの容器本体内には空気等の気体があまり存在しないので、容器本体内の圧力が急激に上昇し、カートリッジの内容物の漏洩やカートリッジ自体の破損を引き起こす可能性が生じるというリスクがあるが、かかる発明（請求項４）によれば、容器本体内に気体収容部を備え、気体収容部の気体が収縮することで、容器本体内の圧力の上昇速度が緩和され、上述したリスクを低減することができる。この安全対策は、カートリッジをシステムに装着している場合だけでなく、カートリッジをシステムから取り外した場合にも有効である。
【００１６】
上記発明（請求項１〜４）においては、前記導入口又は排出口には漏液防止部材が装着されており、給水時又は排液時に、前記導入口又は排出口にニードル状管体が挿脱されることが好ましい（請求項５）。
【００１７】
上記発明（請求項５）によれば、燃料カートリッジを繰り返し直接メタノール形燃料電池用に装着してニードル状管体を挿脱しても漏液防止部材により燃料カートリッジの導入口及び排出口から液体が漏洩するのを防止することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、固体状メタノール燃料カートリッジに水を供給するだけで、燃料であるメタノール水溶液を取り出すことができる。しかも、固体状メタノールの利用率や溶出速度の調節も可能である。これにより直接メタノール形燃料電池の安全性及び利便性が向上し、固体状メタノールの利用性を向上させた固体状メタノール燃料カートリッジを提供することができる。しかも、使用後の液漏れを防止することも可能であり再利用等もしやすいので、リサイクル利用も可能となるという効果も奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の直接メタノール形燃料電池用固体状メタノール燃料カートリッジについて、図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施形態による固体状メタノール燃料カートリッジを用いたアクティブ方式による直接メタノール形燃料電池システムを示す。
【００２０】
図１において、１は燃料電池セルであり、この燃料電池セル１は、燃料極２と電解質膜（ＭＥＡ）３と空気極４とを有している。５は燃料カートリッジ収容部であり、この収容部５には水供給口６と燃料取出口７とが形成されている。また、８は水Ｗのリザーバタンクであり、このリザーバタンク８はポンプ９を介して、水供給口６に連通している一方、燃料取出口７は燃料極２に連通している。
【００２１】
このような構成において、燃料カートリッジ収容部５に燃料カートリッジ１０が装着される。この燃料カートリッジ１０は、容器本体たる矩形箱型のケーシング１０Ａ内にメタノール包接化合物等の固体状メタノールＳを収納してなり、ケーシング１０Ａの一方の側に、前述した水供給口６及び燃料取出口７に対応して、水Ｗの導入口１１及び燃料Ｆの排出口１２がそれぞれ形成されている。なお、図１中、１３は水供給路であり、１４は燃料供給路であり、１５は燃料環流路であり、１３Ａ，１４Ａはそれぞれ水供給路１３及び燃料供給路１４の開閉弁である。
【００２２】
このような構成を有する燃料カートリッジ１０を備える直接メタノール形燃料電池システムの作用について説明する。初期状態においては、燃料カートリッジ１０は、燃料カートリッジ収容部５に装着されておらず、リザーバタンク８の水等の液漏れを防止するため、開閉弁１３Ａ，１４Ａは閉鎖した状態にある。そして、図２に示すように、燃料カートリッジ収容部５に燃料カートリッジ１０を装着し、水導入口１１及び燃料排出口１２をそれぞれ水供給口６及び燃料取出口７に接続すると、開閉弁１３Ａ，１４Ａが開成される。続いて、ポンプ９を起動してリザーバタンク８の水Ｗを水供給口６及び導入口１１から燃料カートリッジ１０に供給する。これにより、固体状メタノールＳと水Ｗとが接触して燃料Ｆとしてのメタノール水溶液が生成する。このメタノール水溶液を燃料排出口１２及び燃料取出口７から排出し、燃料供給路１４を経由して燃料電池セル１の燃料極２に供給することで、燃料電池セル１で発電が開始される。そして、燃料極２における余剰のメタノール水溶液燃料は、燃料環流路１５からリザーバタンク８に環流される。
【００２３】
このような燃料電池システムにおいては、燃料電池セル１での発電に伴い、固体状メタノールＳが消費されるので、電圧の低下又は所定時間の発電等を目安として、開閉弁１３Ａ，１４Ａを閉鎖して燃料カートリッジ１０を取り替えることにより、燃料電池システムを繰り返し使用することができる。特に本実施形態においては、矩形箱型の燃料カートリッジ１０のケーシング１０Ａの一方の側に水Ｗの導入口１１及び燃料Ｆの排出口１２を形成しているので、簡単な構造で水Ｗを供給することができるとともに、燃料Ｆを排出することができる。
【００２４】
図３は、本発明の第２の実施形態に係る固体状メタノール燃料カートリッジを示す概略図である。本実施形態に係る燃料カートリッジは、燃料カートリッジ１０のケーシング１０Ａ内の図示上下方向中央に、水導入口１１及び燃料排出口１２を仕切るように図示左右方向に延在して仕切り板１６を設けることにより、ケーシング１０Ａを上下２段に分割して、導入口１１と排出口１２との間を大きく迂回するように流路Ｒが形成されており、それ以外は、上述した第１の実施形態と同様の構成を有する。
【００２５】
このような構成を採用することにより、水Ｗを水供給口６から供給すると、水Ｗは、流路Ｒに沿ってケーシング１０Ａの上段から下段を流れる。これにより固体状メタノールＳと水Ｗとが接触して、燃料Ｆとしてのメタノール水溶液が生成する。
【００２６】
このようにケーシング１０Ａ内に流路Ｒを形成することにより、ケーシング１０Ａに供給された水Ｗが導入口１１から排出口１２に向けて短絡的な経路をとることがなく、ケーシング１０Ａ内に収容された固体状メタノールＳと水Ｗとの接触効率を高めることができ、これにより固体状メタノールＳに含有されるメタノールの利用率を高めることができる。
【００２７】
図４は、本発明の第３の実施形態に係る固体状メタノール燃料カートリッジを示す概略図である。本実施形態に係る燃料カートリッジは、上記第２の実施形態において、燃料カートリッジ１０のケーシング１０Ａ内の図示上下方向中央に、水導入口１１及び燃料排出口１２を仕切るように左右方向に仕切り板１６を設けることによりケーシング１０Ａを上下２段に分割するとともに、水の流れを乱す構造体として図示上下方向及び斜方向に向けて複数の乱流板１７を設けて、流路Ｒを上段及び下段においてそれぞれ蛇行するように形成したものである。
【００２８】
このような構成を採用することにより、水Ｗを水供給口６から供給すると、水Ｗは、流路Ｒに沿ってケーシング１０Ａの上段から下段を蛇行しながら流れる。このとき、流路Ｒは、蛇行している分だけ長くなっているので、供給される水Ｗの量が一定であれば、水の流動が促進されて流速が早くなる一方、接触する固体状メタノールＳとの接触時間は維持され、固体状メタノールＳからのメタノールの溶出速度を高めることができる。これにより、固体状メタノールＳに含有されているメタノールの利用率をさらに高めることができる。
【００２９】
図５は、本発明の第４の実施形態に係る固体状メタノール燃料カートリッジを示す概略図である。本実施形態に係る燃料カートリッジは、上記第２の実施形態において、燃料カートリッジ１０のケーシング１０Ａ内の水導入口１１及び燃料排出口１２の反対側に弾性部材による隔壁２１が設けられ、この隔壁２１とケーシング１０Ａの壁面１０ａとにより気体収容部たる空気室２２が形成されたものである。
【００３０】
上記隔壁２１としては、メタノールやその水溶液と接触しても劣化しないものであればどのような素材を用いてもよいが、圧力がかかったときに構造体自体が伸び縮みできることが望ましく、ゴム系の素材（天然ゴム、ブタジエンゴム、スチレンゴム、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、ニトリルゴム等）を適用することができる。
【００３１】
このような構成を採用することにより、水Ｗを水供給口６から供給すると、水Ｗは、流路Ｒに沿ってケーシング１０Ａの上段から下段を流れる。これにより、固体状メタノールＳと水Ｗとが接触して燃料Ｆとしてのメタノール水溶液が生成する。このとき、燃料カートリッジ１０のケーシング１０Ａ内には、固体状メタノールＳが密に充填されているので、空気等の気体はあまり存在しない。そのため、固体状メタノールＳの隙間に十分な量の水Ｗが充填されると、ケーシング１０Ａ内の圧力が急激に上昇し、そのままでは燃料カートリッジ１０内の水分の漏洩や燃料カートリッジ１０自体の破損を引き起しかねない。そこで、本実施形態のように弾性部材による隔壁２１による空気室２２を設けることで、図６に示すように、空気室２２の容積が減少し、容器本体内の圧力の上昇速度が緩和され、上述したリスクを低減することができる。
【００３２】
さらに、図７は、本発明の第５の実施形態に係る固体状メタノール燃料カートリッジを示す概略図である。本実施形態に係る燃料カートリッジは、基本的には上述した第１の実施形態と同じ構成を有するので、同一の構成には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。
【００３３】
図７において、燃料カートリッジ収容部５には、水供給用のニードル状管体３１と燃料取出用のニードル状管体３２とが設けられている。一方、燃料カートリッジ１０のケーシング１０Ａの一方の側には、上述したニードル状管体３１，３２に対応してそれぞれ水Ｗの導入口及び燃料Ｆの排出口としての漏液防止部材３３，３４が装着されている。この漏液防止部材３３，３４としては、シリコーンゴム系の素材やＰＴＦＥ／シリコン素材等からなるセプタムラバー等のエラストマー系の構造体を用いることができる。
【００３４】
このような構成を有する燃料カートリッジ１０を備える直接メタノール形燃料電池システムの作用について説明する。初期状態においては、燃料カートリッジ１０は装着されておらず、液漏れ防止のため開閉弁１３Ａ，１４Ａは閉鎖した状態にある。そして、図８に示すように、燃料カートリッジ収容部５に燃料カートリッジ１０を装着し、ニードル状管体３１，３２が漏液防止部材３３，３４を貫通することで、燃料カートリッジ１０との間で液体のやり取りが可能となる。そして、開閉弁１３Ａ，１４Ａを開成する。続いて、ポンプ９を起動してリザーバタンク８の水Ｗを水供給口６及び導入口１１から燃料カートリッジ１０に供給する。これにより、固体状メタノールと水Ｗとが接触して、燃料Ｆとしてのメタノール水溶液が生成する。このメタノール水溶液を燃料排出口１２及び燃料取出口７から排出し、燃料供給路１４を経由して燃料電池セル１の燃料極２に供給することで、燃料電池セル１で発電が開始される。そして、燃料極２における余剰のメタノール水溶液燃料は、燃料環流路１５からリザーバタンクに環流される。
【００３５】
このような燃料電池システムにおいては、燃料電池セル１での発電に伴い、固体状メタノールが消費されるので、電圧の低下又は所定時間の発電等を目安として、開閉弁１３Ａ，１４Ａを閉鎖して燃料カートリッジ１０を取り外す。このとき、ニードル状管体３１，３２が漏液防止部材３３，３４から外れると、ニードル状管体３１，３２による孔が閉塞して気密性を維持するので、燃料カートリッジ１０内の液体が漏洩するのが防止される。これにより、燃料カートリッジ１０だけを繰り返して着脱することができる。
【００３６】
上述したような各実施形態において、固体状メタノールＳとしては、メタノールの分子化合物やメタノールをポリマーとともに固体化又はゲル化されたもの、無機材への吸着等により保持することで固体状としたもの等を用いることができる。
【００３７】
上記分子化合物とは、単独で安定に存在することのできる化合物の２種類以上の化合物が水素結合やファンデルワールス力等に代表される、共有結合以外の比較的弱い相互作用によって結合した化合物であり、水化物、溶媒化物、付加化合物、包接化合物等が含まれる。このような分子化合物は、分子化合物を形成する化合物と燃料電池用燃料との接触反応により形成することができ、燃料電池用燃料を固体状の化合物に変化させることができ、比較的軽量で安定に燃料電池用燃料を貯蔵することができる。
【００３８】
分子化合物としては、ホスト化合物と燃料電池用燃料との接触反応により燃料電池用燃料を包接した包接化合物が挙げられる。また、ポリマーとして固体化又はジベンジリデン−Ｄ−ソルビトール等によりゲル化したもの、あるいはその表面にコーティングを施したものも用いることができる。
【００３９】
このような固体状メタノールＳは、種々の形態で用いることができ、好ましい形態としては微粉状、粒子状、シート状等の形態を挙げることができる。
【００４０】
以上、本発明について各実施形態に基づき説明してきたが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、種々の変形実施が可能である。例えば、第２の実施形態においては、図９に示すように、複数の仕切り板１６，１６Ａにより、流路Ｒを複数段に形成することにより、流路Ｒがさらに長くなるようにしてもよい。
【００４１】
また、第４の実施形態において、隔壁２１により空気室２２を形成する代わりに、図１０に示すように、気体収容部として空気を内蔵する弾性材からなる小球４１をケーシング１０Ａ内に配置してもよい。この小球４１は、圧力がかかったときに構造体自体が伸縮できるものであることが望ましく、ゴム系の素材（天然ゴム、ブタジエンゴム、スチレンゴム、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、ニトリルゴム等）を適用することができる。このように、水Ｗを水供給口６から供給することによりケーシング１０Ａ内の圧力が上昇するが、本実施形態のように弾性材による小球４１を配置することにより、図１１に示すように、小球４１の容積が減少することで、容器本体内の圧力の上昇速度が緩和され、上述したリスクを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る固体状メタノール燃料カートリッジを用いたアクティブ方式による直接メタノール形燃料電池システムを示す概略図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る燃料カートリッジを装着した状態を示す概略図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る固体状メタノール燃料カートリッジを示す概略図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る固体状メタノール燃料カートリッジを示す概略図である。
【図５】本発明の第４の実施形態に係る固体状メタノール燃料カートリッジを示す概略図である。
【図６】本発明の第４の実施形態に係る燃料カートリッジの作用を示す概略図である。
【図７】本発明の第５の実施形態に係る固体状メタノール燃料カートリッジを示す概略図である。
【図８】本発明の第５の実施形態に係る燃料カートリッジの作用を示す概略図である。
【図９】本発明の第６の実施形態に係る固体状メタノール燃料カートリッジを示す概略図である。
【図１０】本発明の第７の実施形態に係る固体状メタノール燃料カートリッジを示す概略図である。
【図１１】本発明の第７の実施形態に係る燃料カートリッジの作用を示す概略図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０…燃料カートリッジ
１０Ａ…ケーシング（容器本体）
１１…導入口
１２…排出口
１６，１６Ａ…仕切り板
１７…乱流板
２２…空気室（気体収容部）
３１，３２…ニードル状管体
３３，３４…漏液防止部材
４１…小球（気体収容部）
Ｗ…水
Ｆ…燃料
Ｒ…流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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